我用郭守敬望远镜“捕获”了超高速恒星

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2014年4月中旬，我们团队在《天体物理学杂志通讯》上发表了一篇论文，宣布发现了一颗超高速星。它是迄今为止发现的、距地球最近的超高速星，正以每小时超过170万千米的速度逃离银河系的中心。

天文学家利用我国的郭守敬望远镜，发现了一颗距离地球最近的超高速恒星（如示意图）。这类恒星往往是被银心超大黑洞抛出来，最终将逃出我们的银河系。图片来源：Ben Bromley, University of Utah

所谓超高速星，指的是一类速度很高的恒星，高到能够脱离银河系引力的束缚，未来会飞出我们所在的银河系。超高速星这一概念，最早是恒星动力学专家杰克·希尔斯（Jack Hills）于1988年，在发表于《自然》杂志的一篇论文中理论上预言的，最初目的是用超高速星来探测银河系中心巨大黑洞的存在。

现在的观测已经确认，银河系中心有一个质量为太阳400万倍的超大黑洞1。当一对在引力作用下相互绕转的恒星（双星系统）运行到这个中心黑洞附近的时候，黑洞巨大的引力产生的潮汐作用能把这对恒星拉开。其中一颗被黑洞俘获，绕着黑洞运行，另外一颗则以很高的速度被抛出，向外运行，仿佛从中心被弹射出来。后者就是超高速星，它的初始速度能达到每秒上千千米。

从此，超高速星就踏上了不归之路，经过几千万或上亿年的运行，它远离了银河系中心，被我们观测到。它会继续自己孤独却未必寂寞的旅途，奔向宇宙深处，并像其他恒星一样在此过程中演化到生命终点。理论预言，大约平均每10万年就会从银河系中心黑洞附近弹射出一颗超高速星。

自第一颗超高速星在2005年被发现后，到目前为止，天文学家已确认了约20颗此类恒星。我们此次发现的超高速星是个大块头，质量大约是太阳的9倍。它距离我们大约4万多光年，距离银河系中心大约6万多光年。虽然自身的光度（即发光强度）比太阳要高约3400倍，但由于距离遥远，它实际比我们肉眼能看到的最暗的星星还要暗630倍。

不过，它是所有已经发现的超高速星中离我们最近的，在亮度上排名第二，用一台小望远镜就可以看到它，这非常有利于我们以后对它进行更为细致的观测和研究。这颗超高速星相对于我们（太阳系）的速度是每秒620千米，相对于银河系中心速度是每秒477千米。换算一下，后面这个速度也就是每小时170万千米，比飞机快约1600倍。如果我们以这个速度飞行，90秒就能环球旅行一次，不到一刻钟就能完成奔月。

本文作者，美国犹他大学物理和天文系助理教授郑政，及其同事，利用设在我国兴隆观测站的LAMOST望远镜，发现了那颗超高速星。图片来源：Lee J. Siegel, University of Utah

这颗超高速星的发现归功于郭守敬望远镜，又名LAMOST望远镜（大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜）。这是一台大型巡天望远镜，位于中国国家天文台兴隆观测站，有效口径是4米，是我国的国家重大科学项目。这台望远镜并不能用于成像，它的独特之处在于配有4000根光纤，一次观测就能获取4000个天体的光谱，是目前世界上光谱获取率最高的望远镜。

我所在的团队由一批中国和美国天文学家组成，主要是通过LAMOST的恒星光谱数据研究银河系的结构和演化。我们能从恒星光谱得到很多信息，比如恒星的温度、光度、大小等等。对这项研究来说，最重要的是我们还能从光谱中得到恒星的速度。恒星运动会导致光谱中谱线波长的变化，这便是众所周知的光的多普勒效应。

LAMOST光谱巡天已经产生了海量数据。我们从LAMOST先导巡天和正式巡天第一年数据的10万条大质量恒星光谱中，系统性地寻找高速恒星。这就如同大海捞针，好在我们运气不错——找到了这颗超高速星，并命名它为LAMOST-HVS1，代表LAMOST巡天的第一颗超高速星。虽然LAMOST主要通过对大量恒星进行统计来研究银河系的结构和演化，超高速星这一副产品的发现也极具科学价值。（顺便提一句，我们的论文在投交后仅两天就收到了非常肯定的审稿意见，创造了本人的一个投稿纪录。）

由于超高速星可能起源于银河系中心的大质量黑洞附近，研究这类恒星能够帮助我们了解黑洞附近的情况，比如它周围的环境，恒星的形成和质量分布，黑洞的演化，等等。同时，超高速星在离开银河系中心向外运行的过程中，受到银河系不同部分的引力作用，尤其是暗物质晕2的引力作用。所以，研究超高速星的运动速度和轨迹，还能帮助我们了解银河系暗物质晕的性质和暗物质的分布。

郭守敬望远镜（LAMOST），通过对大量恒星进行统计，来研究银河系的结构和演化。图片来源：马劲，夜空中国（NightChina.net）

LAMOST还在继续巡天，它有着巨大的潜力，我们预计还能发现几十颗各种质量的超高速星。通过它们，我们期待对银河系在不同尺度上进行更深入地研究。（编辑：Steed）

附注

• 银河系中心的大质量黑洞：银河系中心有一个巨大黑洞，质量是太阳的400万倍，这是通过观测银河系中心附近恒星围绕黑洞的运动得到的结论。对这一观测作出过主要贡献的莱因哈德·根舍（Reinhard Genzel），因此获得了2008年的邵逸夫天文学奖。
• 暗物质晕：在一般人的印象中，银河系是由许多（大概上千亿颗）恒星组成的星系，绝大多数恒星集中在一个盘上（直径大约10万光年；盘上的大部分恒星绕银河系中心运动，速度大约为每秒220千米；太阳也位于盘上，距离银河系中心2.6万光年）。所以银河系的形状经常被形容为铁饼。其实，除了这个恒星盘之外，银河系还有一个非常巨大的接近球状的暗物质晕，直径大约100万光年。暗物质不同于平常所见的物质，它不发光，但对物质有引力作用，能够通过恒星的运动测知银河系中暗物质的存在。暗物质占宇宙中所有物质（包括暗物质和平时大家熟悉的物质，后者术语叫重子物质）的85%左右。暗物质是当代天文和物理的一大谜团，科学家在竭尽全力用各种不同的手段研究它，以期揭示其起源和本质。